RU2196700C2

RU2196700C2 - Method of reducing hydrodynamic friction of ship hull shell

Info

Publication number: RU2196700C2
Application number: RU98100989/28A
Authority: RU
Inventors: Ф.К. Жестовский; ков А.А. Хом; А.А. Хомяков; Г.И. Каневский; В.Б. Амфилохиев
Original assignee: Жестовский Феликс Кузьмич; Хомяков Альберт Александрович; Каневский Григорий Ильич; Амфилохиев Вальтер Борисович
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1998-01-23
Publication date: 2003-01-20

Abstract

FIELD: ship hydrodynamics; shipbuilding; reduction of friction resistance of ship's hull through control of turbulent boundary layer on shell of ship's hull. SUBSTANCE: method consists in delivery of aqueous solution of polymer additives to turbulent boundary layer of liquid flowing around ship's hull. Highly concentrated starting product of product of polymer, paste for example is introduced by means of proportioner into pre-blade zone of pump of polymer solution delivery system; polymer particles are distributed by blade system of pump moving apart and crushing product of interaction of paste with liquid, thus intensifying dissolving process. For realization of this method, three- slot sea medium pumping system is formed by means of pipe lines and slotted chambers sucking sea medium by pumping system up and down in flow from slot of delivery of polymer additive aqueous solution. Delivery of water to boundary layer of ship is effected by another pump through inclined relative to ship's shell and located below relative to aqueous additive solution delivery slot. EFFECT: enhanced economical efficiency. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области гидродинамики, в частности к вопросам управления турбулентным пограничным слоем, и может быть использовано для уменьшения сопротивления трения корпуса судна или подводного аппарата (ПА), движущихся в жидкости, обеспечения пониженных энергозатрат и решения других сопутствующих задач ходкости. The invention relates to the field of hydrodynamics, in particular to issues of controlling a turbulent boundary layer, and can be used to reduce the friction resistance of a ship’s hull or underwater vehicle (PA) moving in a liquid, to ensure reduced energy consumption and to solve other related problems of speed.

Известен в гидродинамике способ Желтухина-Жестовского образования гомогенной газоводяной смеси высокой концентрации, который включает засасывание атмосферного воздуха в зону засасывания насоса гидродинамической трубы и последующее дробление воздуха насосом в лопастной зоне системы прокачки рабочей жидкости. Способ апробирован авторами в 1975 г. и планировался для использования по обоснованию способов и средств уменьшения гидродинамического трения ПА. Устройство (Гидродинамическая труба) защищено авторским свидетельством 521489, 1976 г. The method of Zheltukhin-Zhestovsky formation of a homogeneous gas-water mixture of high concentration, which includes the suction of atmospheric air into the suction zone of the pump of the hydrodynamic pipe and the subsequent crushing of air by the pump in the blade zone of the pumping fluid system, is known in hydrodynamics. The method was tested by the authors in 1975 and was planned for use to justify methods and means of reducing the hydrodynamic friction of PA. The device (hydrodynamic pipe) is protected by copyright certificate 521489, 1976.

Используются в родственных областях способы, включающие дробление различных добавок и включений. Так в пожарной технике используется подача пенообразователя пожарным насосом автомобиля через стационарный пеносмеситель ПС-5, при наличии водоисточника у места пожара (см. Пожарная техника / Под ред. А. Ф. Иванова, 4.2. Пожарные автомобили. М.: Стройиздат, 1988, с.94). Образованная по данному способу пена представляет собой ячеисто-пленочную дисперсную систему с упругими стенками. Концентрированная эмульсия содержит не менее 75% газа и препятствует поступлению в зону горения горючих паров и газов, в результате чего горение прекращается. Methods are used in related fields, including crushing various additives and inclusions. So in fire fighting equipment, the blowing agent is used to supply the vehicle’s fire pump through a PS-5 stationary foam mixer, if there is a water source at the fire site (see Fire fighting equipment / Ed. By A. F. Ivanov, 4.2. Fire trucks. M: Stroyizdat, 1988, p. 94). The foam formed by this method is a cellular-film disperse system with elastic walls. The concentrated emulsion contains at least 75% gas and prevents the entry of combustible vapors and gases into the combustion zone, as a result of which combustion ceases.

Известен в гидромеханике эффект Томса уменьшения гидродинамического трения поверхности при турбулентном течении в водных растворах полимерных добавок и достоверные доказательства эффекта для внутренней задачи - течение в трубах и лотках (см., например, Иванюта Ю.Ф., Чекалова Л.А. Экспериментальные исследования турбулентного течения в трубе слабых растворов полимеров). The Toms effect of reducing the hydrodynamic friction of a surface during turbulent flow in aqueous solutions of polymer additives and reliable evidence of the effect for the internal problem — flow in pipes and trays (see, for example, Ivanyuta Yu.F., Chekalova L.A. Experimental studies of turbulent pipe flows of weak polymer solutions).

Известен способ снижения гидродинамического трения обшивки корпуса судна, который включает подачу раствора полимерных добавок (раствора ПД) в напорную линию системы подачи водного раствора ПД, дорастворение водного раствора в камерах дорастворения и последуещее введение (подачу) напором насосной системы подачи готового раствора заданной концентрации ПД через наклонную щель в турбулентный пограничный слой на поверхность обшивки корпуса судна (см. Справочник по теории корабля. В 3-х томах / Под ред. Войткунского Я.И., т.1, раздел 2, 12, с.265-268 и рис.11.65). Данный способ принят за прототип и часто является тестовым для оценки эффекта снижения сопротивления на телах различной геометрии. A known method of reducing the hydrodynamic friction of the hull of a ship’s hull, which includes supplying a solution of polymer additives (PD solution) to the pressure line of the PD aqueous solution supply system, additional solution of the aqueous solution in the after-dissolution chambers and subsequent injection (supply) of the pumped solution supply system of the specified concentration of PD through inclined slit into the turbulent boundary layer on the surface of the hull of the ship (see the Handbook on the theory of the ship. In 3 volumes / Edited by Y.I. Voitkunsky, t.1, section 2, 12, s.265-268 and fig. 11.65). This method is adopted as a prototype and is often a test for evaluating the effect of reducing drag on bodies of various geometries.

Основным недостатком как способа-прототипа, так и других известных способов снижения сопротивления, основанных на эффекте Томса, является его относительно низкая эффективность при решении внешней задачи обтекания поверхностей. Это объясняется как сложностью кинетики и математического описания процессов, лежащих в основе известного уже почти 50 лет аномального гидродинамического явления, так и полуэмпирикой гидродинамики и сложностью согласования параметров многопараметрической системы реализации эффекта в натурных условиях. Отметим для ясности, что задача повышения эффективности данного способа является комплексной. The main disadvantage of both the prototype method and other known methods of reducing resistance, based on the Toms effect, is its relatively low efficiency in solving the external problem of flow around surfaces. This is explained by the complexity of the kinetics and mathematical description of the processes that underlie the anomalous hydrodynamic phenomenon that has been known for almost 50 years, as well as the semiempirics of hydrodynamics and the complexity of matching the parameters of a multi-parameter system for realizing the effect under natural conditions. Note for clarity that the task of increasing the effectiveness of this method is complex.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе снижения гидродинамического трения обшивки судна путем подачи водного раствора полимерных добавок в турбулентный пограничный слой жидкости, обтекающей корпус судна, дополнительно высококонцентрированный исходный продукт полимера, например пасту ПД вводят дозатором в предлопастную зону насоса системы подачи раствора ПД, дистрибутируют лопастной системой насоса полимерные частицы, раздвигая и дробя комковатый продукт взаимодействия пасты с жидкостью, интенсифицируя процесс растворения и дорастворения, формируют трубопроводами и щелевыми камерами трехщелевую систему прокачки забортной жидкости, засасывая забортную жидкость насосной системой прокачки в зоне вниз или вверх по потоку от щели подачи водного раствора ПД, а подавая напором другого насоса в пограничный слой судна через наклонную к плоскости обшивки щель, снесенную вниз по потоку относительно щели подачи раствора ПД. Кроме того, регулируют дозатором расход пасты пропорционально скорости судна и заданной весовой концентрации готового водного раствора ПД с надбавкой на 30÷50% или более. This goal is achieved by the fact that in the known method of reducing the hydrodynamic friction of the skin of a vessel by supplying an aqueous solution of polymer additives to a turbulent boundary layer of liquid flowing around the vessel’s hull, an additional highly concentrated initial polymer product, for example, PD paste, is introduced into the pre-blade zone of the pump of the PD solution supply system, polymer particles are distributed by the pump paddle system, spreading and crushing the lumpy product of the interaction of the paste with the liquid, intensifying the process dissolution and pre-dissolution, form a three-gap outboard liquid pumping system by pipelines and slotted chambers, sucking the outboard liquid with a pumping pumping system in the zone up or downstream from the feed slot of the aqueous solution of PD, and supplying the pressure of another pump to the boundary layer of the vessel through a slope inclined to the sheathing plane carried downstream relative to the gap of the PD solution. In addition, the paste flow rate is controlled by the dispenser in proportion to the speed of the vessel and a given weight concentration of the finished aqueous solution of PD with an addition of 30 ÷ 50% or more.

Ведение операций по предложенному способу и гидродинамическая картина процесса снижения сопротивления отличаются от прототипа. Так операция дистрибутации, как показали стендовые испытания, проведенные авторами в 1994 г. , дает возможность уменьшить энергозатраты в предложенном способе по сравнению с прототипом, что доказано натурными испытаниями опытного образца для решения внутреннего течения жидкости. Формирование указанной системы прокачки, как показали теоретические и модельные испытания, позволяют построить квазиоптимальную по указанным параметрам регулирования систему, что в совокупности и обеспечивает положительный эффект. The operations of the proposed method and the hydrodynamic picture of the process of reducing resistance differ from the prototype. Thus, the distribution operation, as shown by bench tests conducted by the authors in 1994, makes it possible to reduce energy consumption in the proposed method compared to the prototype, which is proved by full-scale tests of a prototype to solve the internal fluid flow. The formation of this pumping system, as shown by theoretical and model tests, allows you to build a system quasi-optimal in terms of the specified control parameters, which together provides a positive effect.

Авторами с 1993 г. проведены работы по созданию математической модели явления по заявленному способу, серия модельных и лабораторно-стендовых испытаний 1994-95 г.г., достоверно подтверждающих, что дополнительный эффект способа по сравнению с прототипом составляет 30% и более. Отметим для ясности, что регулирование ведут пропорционально скорости, измеряемой штатным ЛАГом судна, а заданную концентрацию увеличивают на 30-50% в рационально спроектированных системах прокачки, так что при неблагоприятных условиях течения дополнительный расход исходного продукта может быть и больше, а к основным факторам, определяющим эффективность способа, относятся: местные числа Rе, характерные толщины погранслоев и распределений концентраций, геометрия лопастной системы и элементов системы подачи, характеристики исходного продукта ПД и системы ввода раствора ПД, место и форма заборной щели, распределение давления по корпусу судна и др. Since 1993, the authors have carried out work to create a mathematical model of the phenomenon according to the claimed method, a series of model and laboratory bench tests of 1994-95, which reliably confirm that the additional effect of the method compared to the prototype is 30% or more. Note for clarity that the regulation is proportional to the speed measured by the standard LAG of the vessel, and the given concentration is increased by 30-50% in rationally designed pumping systems, so that under unfavorable flow conditions, the additional consumption of the initial product may be greater, and to the main factors, determining the effectiveness of the method include: local numbers Re, characteristic thicknesses of the boundary layers and concentration distributions, the geometry of the blade system and elements of the feed system, the characteristics of the initial Ukta PD and PD solution injection system, location and shape of the intake gap, the pressure distribution on the hull of the ship and others.

Реализация заявленного способа иллюстрируется принципиальной схемой, представленной на чертеже. The implementation of the claimed method is illustrated by the circuit diagram shown in the drawing.

В обшивке 1 корпуса судна выполнены щелевые камеры 2, 3 и 4. Совместно со щелями 5, 6 и 7, насосами 8 и 9, трубопроводами 10, 11, 12, 13 они представляют собой сформированную систему прокачки забортной жидкости, которая должна отвечать заданным критериям. Насосная система приводится в заданное движение регулируемым приводом 14. Дозатор 15 связан информационно-измерительным каналом с ЛАГом судна, линиями 16 и 17 - с напорной линией и предлопастной зоной насоса 8. В полости 18 дозатора 15 находится исходный продукт - концентрированная паста типа WSR. Slot chambers 2, 3 and 4 are made in the hull lining 1 of the vessel. Together with slots 5, 6 and 7, pumps 8 and 9, pipelines 10, 11, 12, 13 they are a formed system for pumping outboard liquid, which must meet the specified criteria . The pump system is driven into a predetermined movement by an adjustable drive 14. The dispenser 15 is connected by the information-measuring channel to the LAG of the vessel, lines 16 and 17 are connected to the pressure line and the pre-bladed zone of the pump 8. In the cavity 18 of the dispenser 15 there is an initial product - a concentrated paste of type WSR.

При движении судна на обшивке 1 его корпуса образуется пограничный слой жидкости (см. эпюру на чертеже) с характерными параметрами и профилем скорости

. При запуске насосов 8 и 9 системы прокачки приводом 14 обеспечивают расчетный режим работы системы прокачки забортной жидкости. Засасывают насосами 8 и 9 через щель 7 забортную воду и через щелевую камеру 4 и линию 13 с регулятором подают чистую воду насосом 9 в напорную линию 10, прокачивая ее через щелевую камеру 3, и вводят воду напором насоса 9 в пограничный слой через щель 6, формируя "подстилку" на обшивке корпуса судна. Дозатором 15 по линии 17 вводят в предлопастную зону насоса 8 из полости 18 исходный продукт ПД, например пасту высокомолекулярного полимера типа WSR, дистрибутируют лопастной системой насоса 8 частицы полимера, раздвигая и дробя комковатый продукт - гель высокой концентрации, интенсифицируя процесс приготовления раствора ПД заданной концентрации. Подают раствор ПД напором насоса 8 по трубопроводу 11 в шелевую камеру 2 и, через наклонную к плоскости обшивки 1 щель 5 в турбулентный пограничный слой жидкости. Взаимодействие раствора ПД, "подстилки" и турбулентного пограничного слоя по данным теоретической модели течения, в совокупности с указанными выше операциями обеспечивает снижение гидродинамического трения обшивки корпуса судна. Регулирование системы снижения сопротивления может осуществляться как в ручном режиме оператором, так и автоматически регулятором.When the vessel moves on the lining 1 of its hull, a liquid boundary layer is formed (see diagram in the drawing) with characteristic parameters and velocity profile

. When you start the pumps 8 and 9 of the pumping system, the drive 14 provides the calculated mode of operation of the system for pumping outboard liquid. Pumps 8 and 9 are sucked in through the slot 7 with outboard water and through the slotted chamber 4 and line 13 with the regulator supply clean water with the pump 9 to the pressure line 10, pumping it through the slotted chamber 3, and water is injected by the pressure of the pump 9 into the boundary layer through the slot 6, forming a “litter” on the hull of the vessel. The dispenser 15 along the line 17 introduces the initial PD product, for example, a paste of high molecular weight polymer of the WSR type, into the pre-bladed zone of pump 8 from cavity 18, distribute polymer particles with the pump vane system 8, pushing apart and crushing the lumpy product - a gel of high concentration, intensifying the process of preparing the PD solution of a given concentration . The solution of PD is fed by the pressure of the pump 8 through the pipe 11 to the sheath chamber 2 and, through the slit 5 inclined to the sheathing plane 1, into the turbulent boundary layer of liquid. The interaction of the PD solution, the “litter” and the turbulent boundary layer according to the theoretical flow model, in combination with the above operations, reduces the hydrodynamic friction of the hull of the ship. Regulation of the resistance reduction system can be carried out both manually by the operator and automatically by the regulator.

Предварительная оценка эффективности заявленного технического решения проведена авторами с учетом массогабаритных и энергетических характеристик типовых элементов и схем. По сравнению с прототипом предложенный способ позволяет вплотную приблизиться к кривой Вирка, обеспечив снижение (относительно чистой жидкости) гидродинамического трения на 60%. Достоверность прогноза подтверждена буксировочными испытаниями модели для внешней задачи и натурными испытаниями для внутренней задачи (течение в трубе) при проведении плановых работ. A preliminary assessment of the effectiveness of the claimed technical solution was carried out by the authors taking into account the weight and size and energy characteristics of typical elements and circuits. Compared with the prototype, the proposed method allows you to come close to the Virk curve, providing a decrease (relatively pure fluid) of hydrodynamic friction by 60%. The reliability of the forecast is confirmed by towing tests of the model for the external task and full-scale tests for the internal problem (flow in the pipe) during the planned work.

Планируется конструктивная привязка способа для макетного варианта типового образца и его последующие испытания. It is planned constructive binding of the method for the mock-up version of the type sample and its subsequent tests.

Claims

1. A method of reducing the hydrodynamic friction of the hull of a ship’s hull by feeding an aqueous solution of polymer additives into a turbulent boundary layer of fluid flowing around the hull of a ship, characterized in that the highly concentrated initial polymer product, for example, paste, is dispensed into the pre-bladed zone of the pump of the polymer solution supply system, and the impeller is distributed by the pump system, polymer particles, pushing apart and crushing the product of the interaction of the paste with the liquid, intensifying the dissolution process, form pipelines and with slotted cameras, a three-slot outboard fluid pumping system, sucking outboard fluid with a pumping system in the zone upstream or downstream from the feed slit of the aqueous solution of polymer additives, pumping another pump into the boundary layer of the vessel through a slope tilted to the sheathing plane, carried downstream relative to water supply slit additives.

2. The method according to p. 1, characterized in that the dispenser controls the consumption of paste in proportion to the speed of the vessel and a given weight concentration of the polymer with an addition of 30-50% or more.